一种基于拉曼后向散射的光纤位移传感方法技术

本发明专利技术基于拉曼后向散射原理实现一种光纤位移传感系统和传感方法。具体技术方案为：1）采集卡将探测器输出的模拟信号转换成数字信号，然后对拉曼后向散射曲线进行累加平均和横向滑动平均处理，以降低噪声信号；2）利用Stockes和Anti

【技术实现步骤摘要】
一种基于拉曼后向散射的光纤位移传感方法


[0001]本专利技术涉及分布式光纤位移传感方法，尤其涉及一种基于拉曼后向散射的光纤位移传感系统的信号处理方法。

技术介绍

[0002]分布式光纤传感器由于其结构简单，探测距离长，不受电磁干扰等特点，已成为近年来国内外的研究热点。分布式光纤传感系统主要用于交通、建筑、电力、煤矿、石化等行业，其作用是实时测量这些重要的场所的各种参数。它对于保证工业系统设备正常运行，保障生命和财产的安全起着重要的作用。目前,分布式光纤传感技术主要有:分布式光纤温度传感技术、分布式光纤振动传感技术、分布式应力应变传感技术等。
[0003]分布式光纤温度传感系统结构如图1所示，激光器发出脉冲宽为5ns的脉冲光信号，中心波长为1550nm， 功率为5W。脉冲光信号通过波分复用模块注入到传感光纤中，并沿传感传输产生后向散射光谱信号。后向散射光谱主要包括拉曼后向散射光谱、瑞利后向散射光谱和布里渊后向散射光谱。其中拉曼后向散射光谱包括Stocks和Anti
‑
stocks两种光谱，经过波分复用器输入到探测器中。探测器将光信号转成电信号，再输入到采集卡中被采集卡转换成数字信号，最后进入数据处理系统中对数据进行处理和分析获得光纤沿线温度数据。
[0004]上述分布式光纤温度传感系统通过拉曼后向散射光信号实现了光纤温度测量，但实际应用中往往需要同时实现多个参数测量。如果采用多个传感系统来测量多个参数，必然会增加应用成本，且系统变得复杂，系统发生故障概率也会增大。
专利技术内容
[0005]本专利技术所要解决的技术问题是基于拉曼后向散射原理，利用拉曼光谱中的Stocks后向散射光实现一种光纤位移传感系统和传感方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为。
[0007]步骤1：采集卡将探测器输出的模拟信号转换成数字信号，然后对拉曼后向散射曲线进行累加平均和横向滑动平均处理，以降低噪声信号。
[0008]步骤2：利用Stocks和Anti
‑
stocks后向散射信号计算温度值，并利用计算出的温度数据对Stocks后向散射信号进行功率修正。
[0009]步骤3：计算Stocks后向散射信号的损耗值，并提取同一位置多条Stocks信号的位移损耗值。
[0010]步骤4：将多条Stocks信号同一位置的损耗数据绘成曲线，并对曲线进行非线性拟合，获得曲线的拟合参数。
[0011]步骤5：利用曲线拟合参数对采集到的位移损耗数据进行拟合，计算获得光纤的位移值。
[0012]本专利技术的优点为在现有的拉曼分布式光纤温度传感系统的基础上，利用Stocks后
向散射光信号实现位移测量，使得单根光纤实现温度和位移双参量传感成为可能。
附图说明
[0013]下面对本专利技术说明书中每幅附图表达的内容作简要说明。
[0014]图1为分布式光纤温度传感系统结构图。
[0015]图2为基于拉曼后向散射的光纤位移传感系统结构图。
[0016]图3为位移计算算法流程图。
[0017]图4为施加位移处Stocks功率损耗曲线。
[0018]图5为光纤传感器测量得到的位移值曲线。
具体实施方式
[0019]本专利技术在现有的拉曼分布式光纤温度传感系统的基础上，利用Stocks后向散射光实现一种光纤位移传感系统和传感方法，光纤位移传感系统结构如图2所示。
[0020]位移计算算法流程如图3所示，具体计算方法如下。
[0021]步骤1：采集卡连续采集40960条Stocks和Anti
‑
stocks后向散射曲线，然后分别对Stocks和Anti
‑
stocks后向散射曲线进行累加平均（y=(x1+x2+
……
x
k
)/k，k=40960）。再对累加后的Stocks和Anti
‑
stocks后向散射曲线分别进行滑动平均（ ,M为滑动平均的步长，y
i
为曲线上第i个数据点），滑动平均的步长M=7。
[0022]步骤2：基于拉曼后向散射温度传感原理，利用Stocks和Anti
‑
stocks后向散射信号计算整条光纤沿线的温度值。采集不同温度下Stocks后向散射信号数据，计算温度变化对Stocks后向散射信号功率的影响系数，获得功率修正系数。再利用功率修正系数对采集到的Stocks后向散射信号进行功率修正，修正过程如下。
[0023]1）根据采集到的光纤实时温度值，计算Stocks后向散射信号上每个点的功率温度修正系数：T(x)=[T1,T2,...........,T
i
]。
[0024]2）Stocks后向散射信号上每个数据点的功率值为：z(x)=[z1,z2,...........,z
i
]。
[0025]3）利用功率修正系数对Stocks后向散射信号进行修正：w(x)= T(x)*z(x)。
[0026]步骤3：采集多条Stocks曲线的功率损耗值，并计算多条Stocks曲线同一位置的位移损耗值，计算过程如下。
[0027]1）在0
‑
5mm范围内间隔0.25mm给传感光纤施加位移，采集并计算多条Stocks曲线的功率损耗值L(w)。L(w)=10log
10
(w
i
)/w0)，w0为Stocks曲线起始点的功率，w
i
为Stocks曲线上第i点的功率。
[0028]2）计算多条Stocks曲线损耗的差值曲线：L
df
(w)= L(w
i+n
)
–
L(w
i
)=10log
10
(w
i+n
/w
i
)，n为差值计算步长，n=M=7。
[0029]3）提取同一位置多条Stocks信号的位移损耗值，获得20条Stocks功率损耗的差值曲线同一位置损耗数据d(x)。d(x)=[d1, d2,
ꢀ……
, d
j
], j=20，如图4所示。
[0030]步骤4：对施加位移位置的数值点d(x)进行3次非线性拟合（p(d)=p1d
n
+p2d
n
−1+...+
p
n
d+p
n+1
。 n=3;），获得曲线的拟合参数（p=[p1, p2, p3, p4]）。利用曲线拟合参数对采集到的位移损耗数据进行拟合，计算传感光纤测量获得的位移值，实现光纤位移传感，如图5所示。
[0031]上面结合附图对本专利技术进行了示例性描述，显然本专利技术具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本专利技术的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本专利技术的构思和技术方案直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拉曼后向散射的光纤位移传感系统，其特征在于：温度计算模块接收采集卡输出Stocks和Anti
‑
stocks两路信号，进行计算获得光纤沿线温度数据，并将温度数据输入到位移计算模块；位移计算模块根据温度计算模块输入的温度数据计算修正系数，并对Stocks信号功率进行修正,消除温度对位移计算的影响，最后进行位移计算获得光纤测量的位移值。2.一种基于拉曼后向散射的光纤位移传感方法，其特征在于：步骤1：采集卡连续采集40960条Stocks和Anti
‑
stocks后向散射曲线，然后分别对Stocks和Anti
‑
stocks后向散射曲线进行累加平均（y=(x1+x2+
……
x
k
)/k，k=40960）；再对累加后的Stocks和Anti
‑
stocks后向散射曲线分别进行滑动平均（,M为滑动平均的步长，y
i
为曲线上第i个数据点），滑动平均的步长M=7；步骤2：基于拉曼后向散射温度传感原理，利用Stocks和Anti
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：周正仙，郑贤锋，张大伟，崔执凤，屈军，韩亚帅，杨新艳，余瑞兰，冯小蔚，朱晶晶，徐晓峰，陶天宝，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：